有侨校特色的交互式实验教学信息化平台构建和实践

周艳晖，张珠宝，周美云，谢新媛，孟苗，孟建新，李丹

暨南大学化学与材料学院，广州 510632

信息技术的进步带来新技术、新模式的探索和涌现，推动了教育理念更新、模式变革、体系重构。2018年教育部发布的《教育信息化2.0行动计划》，是推进“互联网+教育”的具体实施计划[1]。在一流本科专业建设和一流本科课程的“双万计划”“双一流”建设的背景下，教育信息化2.0带来一系列机遇和挑战，成为促进高等教育发展的重要抓手。

化学是理论与实验并重的学科，化学实验教学是全面实施化学教育的重要组成部分。相较于理论教学，实验教学的信息化建设更复杂，难度更大。暨南大学作为中国最高华侨学府，始终坚持“宏教泽而系侨情”的办学宗旨，坚持面向海外、面向港澳台地区培养人才[2]，因其既有内地生又有境外学生的特殊性，加之地处粤港澳大湾区办学的地缘、人缘优势，借助化学实验教学信息化手段，既是全面提升教学质量、培养学生综合素质的需要，也能更好地结合校情，充分满足境内外学生的发展需求。

以教育部、教育厅相关文件精神为指导，我们依托化学与材料学院教学实验中心平台，围绕侨校和粤港澳大湾区建设，注重特色，以学生的需求和视角为主导，在实验室管理、实验室安全、实验课程以及“互联网+教育”交互式实验教学方面，对化学类实验课程开展全方位、多维度、多层次的信息化构建和探索。

1 实验教学信息化体系的构建思路

化学与材料学院实验中心面向学校化学与材料学院、理工学院、医学院、药学院、生命科学技术学院以及国际学院47个专业开设各层次化学本科实验课程，每年选课学生3400多人，总人时数近14万。

从学生反映的问题来看，传统化学实验教学存在如下的问题：1) 实验前预习效果不佳。预习缺乏材料，缺乏指导，所涉及的实验原理、实验步骤、仪器操作枯燥抽象，难以调动学生主动学习的积极性；2) 学生缺少风险防范意识。主要是课前和实验过程中获取的安全知识信息量不够，不足以引起重视；3) 实验过程操作不规范，实验结果误差较大；4) 实验结束后，缺少在教师引导下的反思提炼和总结，不利于学生科学思维能力提升。此外，由于境内外学生存在文化、社会和教育背景的差异，对学生的学习风格产生不同的影响，两类学生在信息加工、理解方面存在差异。外招生偏于活跃和综合型，而内招生偏于沉思与序列型，而两类学生在信息感知和输入方面没有显著差异，都偏于感悟型与视觉型[3]。

为了解决上述问题，我们建立了如图1所示的化学实验教学信息化体系架构。

图1 化学实验教学信息化体系架构图

2 实验教学信息化体系的组成、特色和作用

2.1 实验室管理信息化：全方位，微细节

化学实验室是提供化学实验条件及进行科学探究的重要场所，其内有大量的仪器、试剂、种类繁多的实验设备以及各种实验室管理文档。为适应内地生和港澳台侨学生不同的学习风格，针对冲动型学生缺乏精确性和细致性，沉思型学生缺乏主动性、速度慢的特点，实验室管理信息库的构建内容上突出“全”，表现形式突出“微”，注重细节，中心构建的实验室管理信息库由秒懂仪器、仪器使用、管理文档、试剂台账和实验室百科五部分组成，其中“仪器使用”旨在实现小型仪器设备使用自主化，大型仪器设备使用便利化；“秒懂仪器”是有关仪器方面知识的简短介绍，“秒懂仪器”和“实验室百科”主要来源于百度百科，以1分钟左右的短视频方式呈现，生动有趣、简单易懂，让复杂的知识更直观，提升信息获取的效率。

二维码技术的应用可以为实验操作提供详细的信息快捷搜索途径，将实验室与教学有关的一切要素进行使用和管理信息化[4]。我们以二维码为桥梁，把学生和实验教学环境跨越时空紧密联系起来，通过扫描二维码，学生可随时随地查询更详细的应用信息，有效规避了由于不当操作造成的事故和仪器损坏，提高实验操作的效率。由于在对知识的收集输入方面，内地生和境外生都偏好于视觉型，通过二维码将传统抽象的单一文字描述说明通过图片、微视频等多种表达形式生动地展现在学生面前，紧紧抓住学生的眼球，提升学生的参与度、体验感和资源粘合度。同时利用二维码收集数据，具有签到、物品领用以及设备巡检等功能，学生可以完成课堂考勤，及时与实验室管理人员互动，完成对仪器清点、借用和损坏等相关情况的报备，实现教学实验室高效、良性运转，管理人员不用更换二维码，就可以随时更新内容，省时、省力、高效、绿色环保(图2)。此外，将实验室所涉及的仪器知识和实验知识通过筛选网上优质资源和自已制作相结合的方式，通过张贴在实验室中的小视频二维码，便于学生进行快速学习(见图3中秒懂仪器)。

图2 实验内容、仪器清单和学生课堂考勤二维码

为方便境外生，实验室管理信息化建设除了注重细节外，还注重双语建设。例如在制作核磁共振仪操作视频和维护及常见故障处理系列资源库时，提供中英文讲解字幕(见图3)，并附有仪器使用状况和报修的交互功能，便利了大型仪器的操作使用和管理。

图3 秒懂仪器和核磁共振仪的使用双语微课视频及二维码

实验室管理信息化的推广，增强了学生自主学习的积极性。在2020年学院举行的“140名本科‘萌新’走进学院实验室”活动中，这些实验室管理信息化的使用受到了新生们的欢迎，激发了学生们的学习兴趣[5]。

2.2 实验室安全信息化：人为本，防在先

化学实验室化学试剂种类复杂、操作危险性大，仪器设备多，实验室人数多，安全风险大，规避风险的最好办法就是加强教育和防范，尤其对于知觉和思维方式偏于冲动型的外招生来说，更是要注意防范，实验室安全信息化资源库的构建，突出“预防在先”，其组成包括警戒线、警钟长鸣、风险评估、废弃物处置和安全百科五部分，警戒线为每个实验项目小单元的实验注意事项，包括仪器、试剂、实验操作等一切实验课安全要素；风险评估是学生对即将开展的实验项目进行风险评估，其内容涉及实验中所用的化学品、用电设备、操作过程以及消防做相应的风险分析和评估，并制定对应的应急预案；废弃物处置则是对实验课中所涉及到的腐蚀性、易燃性和毒害性化学废弃物的正确处置方法；警钟长鸣则是一系列安全案例短视频。

以安全资料数据库中的安全知识为出发点，从多种渠道收集、精心制作编辑各种安全知识短视频(图4)，并逐步成为一个完整的可视化的双语安全知识库。信息化的安全资源库的建立，成为教师指导学生顺利完成实验课程、毕业论文等各项教学活动的一个强有力的辅助工具库，为平安化学提供了坚实的保障，学生也获得了一种更加便捷且生动有趣的学习方式。

图4 安全知识短视频二维码

当前高校许多安全事故的发生，其主要原因还是对实验安全性不够清楚，没有提前做好各项应对措施[6,7]。借鉴香港科技大学的安全管理模式，我们设计了实验项目风险评估的二维码(图 5)，在实验前推送给学生，要求学生对实验中所涉及的化学品、用电设备、操作过程以及消防做相应的风险分析和评估，以此来督促学生对实验过程中可能出现的安全风险做出预判，并设定对应的应急预案，最后提交风险性评估报告，经过审核通过才能进入实验室开展实验，提交情况在线上可以一目了然呈现出来(图6)，方便实验教师在课前统计和批改，并获得学生对安全风险的掌握情况，有利于教师在课堂上的查漏补缺。风险性评估报告的完成不受时间、地点的限制，有利于学生将平时不可利用的时间充分利用起来，整个过程无纸化也更加绿色环保。为了满足国际化办学的需要，风险性评估报告也有中英文两种版本供学生自己选择。

图5 中英文版本的实验项目安全风险性评估报告二维码

图6 学生提交风险评估报告的界面截图及部分报告内容

2.3 课程信息化：厚基础、求创新

暨南大学重视自身侨校国际化优势，探索内、外招生多元培养机制[8]。针对港澳台侨学生个性独立、视野开阔、思维活跃、创新意识和实践能力较强等特点，并根据境外生入学时实验技能参差不齐的现状和其知识能力需求，在实验课程信息化资源库构建时，突出了“厚基础”和“求创新”的特点，课程信息化资源库由规范化操作、电子讲义、实验课微课、虚拟仿真和智高点五部分构成，其中智高点收集了本学院的最新研究成果和国内外科学前沿信息以及粤港澳大湾区发展的最新动态，实现国际与本土的交融。

采用双语微课的形式对规范操作进行信息化建设，将复杂操作和说明直观化，建立其零存整取式的口袋中的教学素材资源库，由于学生可以反复观看这些实验操作，不仅掌握了专业英语，且不断强化了学生的实验技能，规范了学生的实验操作。以分析化学实验课程为例，我们根据学生需求构建了实验操作视频库(附有英文字幕) (图7)，图7中显示了我们自已制作的“分析天平的使用”的短视频，通过扫描二维码，学生能自主清晰地进行规范化使用学习。这些视频库近两年在我校化工、食品、环境等专业的分析化学实验教学中进行运用，取得了明显的效果。通过将实验规范操作内容碎片化，并通过改编的电子讲义的超链接功能，使学生在预习时通过简单的点击就可以全面和方便地找到本实验需要预习的操作规范内容。极大地提高了学生预习的针对性和效率。从实验完成情况看，学生操作的规范性有明显提高，达到了预期目的[9]。这些视频库在今年疫情期间进行线上实验课教学时，也发挥了积极作用。

图7 实验操作视频库及分析天平的规范化操作视频及二维码

由于各个高校购买实验仪器存在差异性，且实验项目的内容设置方面也各有不同，加上本校理工科均有内外招生生源的特殊性，因此，我们结合本校的化学实验开设情况，围绕课程具体实验项目信息化建设的宗旨，在继承纸质版实验教材的优点、保留其经典教学内容的基础上，进行了教材信息化、可视化、广度化、双语的改造和创新，形成特色的开放式电子教材(讲义)，努力提升港澳台侨学生的知识储备。

课程电子教材(讲义) (中英双语版)中每个实验项目主要围绕实验目的、原理简介、实验内容重点难点、注意事项、课后习题等内容进行筛选、系统设计和图文并茂的双语编写，在此基础上结合二维码技术进行了以下几方面创新：1) 安全教育：引入实验相关的实验安全和环保的文本、图片或者视频等的链接；2) 操作演示：引入实验规范操作的双语微课；3) 关键现象：引入实验的关键现象的图片、视频、动画等链接；4) 疑难解析：引入疑难解析的链接；5) 知识拓展：引入实验相关的虚拟仿真实验和科研前沿新知识、概念介绍、名人简介和特色成果等链接。通过上述动静结合的方式，将传统的纸质版实验教材建设成信息化、可视化的双语动态教材。如无机化学实验中的“纳米硒的制备”创新实验的讲义[10,11]，通过讲义中简明扼要的文字描述以及增加的荧光分光光度仪等操作演示、实验中的疑难解析、纳米硒前沿和学院特色成果的知识拓展等二维码链接，更能贴切满足学生知识定制化的学习需求，体现学校“一主多元，学术先导”的文化育人思路，有利于学生创新能力的培养。

3 交互式实验教学信息平台，实现教、管、学线上、线下的良好互动

微信公众平台通过发布文字、图片、语音、视频等内容来传递各种信息，非常适合用于构建一种互动教学模式，提升教学的针对性和交互性[12]。针对内招生和港澳台侨学生不同的学习风格，我们通过微信平台将实验室管理、教学实验室安全和课程的资源信息库有机结合起来，将信息化技术与实验课堂教学深度融合，以发挥其能力和素质导向型教学作用为目标，提高了教学效率，培养了学生信息化思维以及信息整合能力，同时根据课程内容，适时推送相关数据库的信息，拓展学生的视野，大力推进了学生创新能力的培养，实现授课教师、实验教师、学生之间的良好互动。

2017年起，我们先后建起了分析化学和仪器分析两个实验微信公众平台(图 8)，分析化学微信公众平台由基本信息、实验讲义和操作规范三部分组成[9]，在使用中，不断完善、推陈出新。

图8 分析化学和仪器分析实验课的微信公众平台

课前，通过公众平台的基本信息和推送实验室管理信息库中的实验室百科和秒懂仪器的趣味小视频，使学生在短时间内对于实验用到的知识有所了解，激发学生的学习欲望，然后再推送相关的实验规范操作的微课、电子教材，使学生能够自主地进入实验课预习。随后，我们推出实验课程的禁界线(实验注意事项)和警钟长鸣小视频，以提高学生的安全意识。在学生对实验有所了解后，进行实验室风险评估二维码的推送，学生只有完成了实验前风险评估才被允许进入实验室。

课中，学生由于前期预习中已经较好地掌握了实验内容，教师可以缩短讲解时间，大部分时间由学生独立操作，在实验中遇到不懂的操作时，通过发布在微信平台、或贴于仪器上的二维码，学生可以自主学习，教师由知识的传授者变成学生学习的引导者。实验过程中，实验管理者可以将实验室管理规则发布在平台上，提醒学生注意遵守，并发布针对课程产生的化学废液的相关处理知识，培养学生的环保意识和实验室安全文化，学生则可以随时将实验仪器、试剂等问题向实验管理者反馈，将实验中出现的异常现象发到微信公众平台，师生一起交流讨论，从而找出解决问题的方案，在实验即将结束时，实验管理者巡视实验室的废液、卫生和实验室环境，把出现的问题发布在群里，督促学生即时整改。

课后，学生进行数据处理，对实验进行总结和反思，教师将报告中出现的问题发布到微信公众平台上，提醒学生在后续的实验中注意，从课程信息库的智高点中选取相关知识，作为学生更深层次的拓展学习，从而引导学生的认知以点成线、成面、由浅入深，螺旋式上升，实践了“兴趣培养–思维开发–自主协作学习”分层教学模式和“实验室安全–基础技能–综合应用–探索创新”梯度式实践教学体系的融合，实现教、管、学，线上、线下的良好互动。

利用微信公众平台辅助实验教学的改革方式已在近两年我校应化、化工、材料、食品，环境等专业的分析化学实验和仪器分析实验课程教学中进行运用，取得了明显的效果。

4 小结与展望

通过对化学类实验课程进行的全方位、多维度、多层次的系统信息化构建，重塑了实验课堂教学流程，探索出一套具有侨校特色的交互式实验教学信息化系统，在围绕以学生为中心开展的一系列实验教学信息化建设中，涌现出一些新思路、新方法、好作品。但也存在不足，实验教学团队信息技术的综合运用能力还有待进一步提升，实验室信息化设备还需要完善。随着5G高速率、低时延及大连接的全新时代的到来，高教信息化建设将进入全新阶段，会面临新的变革和挑战，我们有信心迎难而上。